本发明涉及碱性电解水制氢，尤其涉及一种碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法。
背景技术：
1、现有主流电解水设备中，碱性电解槽凭借大容量、低成本、长寿命等优势，已实现规模化、产业化以及商业化应用。
2、不同于传统稳定电源供能，电解水制氢系统与具有间歇性、波动性、随机性等出力特征的风光等可再生能源直接耦合时，存在多种动态适应性瓶颈。电氢转换的工艺流程复杂且精细，试验穷举研究的经济性和安全性表现均不佳。然而，以可再生能源电解水制氢、实现能源间联动耦合，是加速能源高质量发展的重要技术手段。
3、作为制氢系统中的核心设备，碱性电解槽在面向复杂动态场景时的运行特性及适应性优化策略受到广泛关注。但是现有技术虽为碱性电解槽工作特性的研究提供了多样的思路和方法，但均局限于正常操作条件下，不包括启动过程。在实际风光发电制氢工程中，碱性电解槽的频繁启停难以避免，并且由于温度时滞性，设备在冷机、热机和生产状态间的切换过渡时间较长，因此需要对碱性电解槽冷启动过程中的运行调控策略进行优化研究。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于，提供一种碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，该方法包括以下步骤：
3、构建碱性电解槽冷启动行为数学模型；
4、在风光波动输入场景下，对所述碱性电解槽冷启动行为数学模型输入运行条件参数，模拟不同情况下所述碱性电解槽的冷启动时长；
5、给根据所述冷启动时长，选取最优参数对碱性电解槽冷启动过程运行策略进行优化。
6、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述构建碱性电解槽冷启动行为数学模型包括：
7、根据极化电压机理模型拟合获得极化电压经验模型；
8、根据极化电压经验模型构建用于表达电流电压关系的i-u模型；
9、构建产氢模型；
10、构建能量转换效率模型；
11、根据碱性电解槽的热量守恒方程构建热性能模型。
12、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述碱性电解槽包括由多个电解小室串联组成的复极式结构，输出电压表示为：
13、u＝ncucell
14、其中，u为输出电压，ucell为碱性电解槽小室电压，nc为碱性电解槽的小室数量；
15、所述极化电压机理模型为：
16、ucell＝urev+uact+uohm
17、其中，ucell为小室电压，urev为可逆过电势，uact为激活过电势，uohm为欧姆过电势。
18、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述根据极化电压机理模型中：
19、所述可逆过电势urev为标准可逆过电势urev0和可变可逆过电势之和，且符合能斯特方程；
20、所述可逆过电势表示为：
21、
22、urev0＝1.5184-1.5421×10-3t+9.526×10-5tlnt+9.84×10-8t2
23、其中，urev为可逆过电势，urev0为标准可逆过电势，为可变可逆过电势，r为理想气体常数，t为工作温度，z为反应中电子的转移数量，f为法拉第常数，p为工作压力，αh2o,koh为koh溶液的水活性，pv,koh为koh溶液的蒸发压力；
24、所述能斯特方程中的所述可变可逆过电势：
25、
26、
27、a＝-0.0151m-1.6788×10-3m2+2.2588×10-5m3
28、b＝1-1.2062×10-3m+5.6024×10-4m2-7.8228×10-6m3
29、
30、
31、其中，pv,koh为koh溶液的蒸发压力，a为蒸发公式第一系数，b为蒸发公式第二系数，pv,h2o为纯水的蒸发压力，m为koh溶液摩尔浓度，αh2o,koh为koh溶液的水活性；
32、且，所述极化电压机理模型中，所述激活过电势uact符合butler–volmer方程；
33、所述激活过电势uact表示为：
34、
35、
36、αan＝0.0675+0.00095t
37、αca＝0.1175+0.00095t
38、j0-an＝30.4-0.206t+0.00035t2
39、j0-ca＝13.72491-0.09055t+0.0001555t2
40、其中，uact-an为阳极电荷能垒，uact-ca为阴极电荷能垒，αan为阳极电荷传递系数，αca为阴极电荷传递系数，j为电流密度，j0-an为阳极交换电流密度，j0-ca为阴极交换电流密度；
41、且，所述极化电压机理模型中，所述欧姆过电势包括所述碱性电解槽电子与离子传输路径中的电机电阻、隔膜电阻和电解液电阻；
42、所述电极电阻rele表示为：
43、rele＝rele-an+rele-ca
44、
45、其中，rele-an为阳极电阻，rele-ca为阴极电阻，lan/ca为阳极/阴极的厚度，aan/ca为阳极/阴极的面积，σele为电极材料的电导率；
46、所述隔膜电阻rmem表示为：
47、
48、其中，σlye为电解液电导率，τmem为隔膜曲折率，δmem为隔膜厚度，εmem为隔膜孔隙率，amem为隔膜面积；
49、所述电解液电阻rlye表示为：
50、
51、
52、式中，rlye-free为不考虑气泡效应的电解液电阻，ε为气泡体积分数，dam为阳极与隔膜的间距，dcm为阴极与隔膜的间距，aan为阳极的面积，aca为阴极的面积。
53、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，根据所述可逆过电势、所述激活过电势和所述欧姆过电势的表达式，拟合出所述极化电压经验模型；
54、所述极化电压经验模型表示为：
55、
56、其中，ri(i＝1,2)为欧姆电阻参数，t为工作温度，i为工作电流，a为电极面积，si(i＝1,2,3)为第一过电势经验参数，ti(i＝1,2,3)为第二过电势经验参数。
57、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述根据极化电压经验模型构建用于表达电流电压关系的i-u模型包括：
58、1)定义第一参数a、第二参数b、第三参数c、第四参数d和第五参数i，以获得第一表达式：
59、
60、2)结合所述第一表达式与所述极化电压经验模型，重新排列后获得第二表达式：
61、
62、3)根据所述第二表达式，结合lambertw函数定义获得第三表达式：
63、
64、4)将所述第三表达式中的第二参数b、第三参数c和第四参数d展开，获得所述i-u模型：
65、
66、其中，ri(i＝1,2)为欧姆电阻参数，t为工作温度，i为工作电流，a为电极面积，si(i＝1,2,3)为第一过电势经验参数，ti(i＝1,2,3)为第二过电势经验参数。
67、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述构建产氢模型包括：根据法拉第定律构建氢气体积流率模型和质量流率模型；根据所述氢气体积流率模型和所述质量流率模型构建所述产氢模型；
68、氢气体积流率模型为：
69、
70、质量流率模型为：
71、
72、其中，u为输出电压，nc为碱性电解槽的小室数量，urev为可逆过电势，ηf为法拉第效率，i为工作电流，vstd为标况下的理想气体体积，z为反应中电子的转移数量，f为法拉第常数，c为氢气密度；
73、所述根据所述氢气体积流率模型和所述质量流率模型构建所述产氢模型包括：将法拉第效率ηf定义为碱性电解槽实际产氢量和理论最大产氢量之比，并结合经验公式根据所述氢气体积流率模型和所述质量流率模型拟合获得所述产氢模型；
74、所述产氢模型为：
75、
76、kf1＝2.5t+50
77、kf2＝1-6.25×10-6t
78、其中，i为工作电流，a为电极面积，t为工作温度，kf1为第一产氢经验参数、kf2为第二产氢经验参数；
79、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述构建能量转换效率模型包括：
80、定义能量转换效率ηdawe为电解所产生氢气的化学热能与输入电能及额外补偿热能之和间的比值，
81、能量转换效率ηdawe的表达式为：
82、
83、
84、
85、其中，wh2为产品氢气的化学热值，wdawe为电解槽的直流能耗，为额外热源引入热量，lhvh2为氢气的低热值，pawe为电解水反应所需能量。
86、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述根据碱性电解槽的热量守恒方程构建热性能模型包括：
87、并结合碱性电解槽热量守恒方程构建热性能模型；
88、1)构建输入电能模型pinput：
89、pinput＝nciucell
90、pawe＝nciutn
91、
92、
93、
94、
95、
96、
97、其中，为标况下的高热值电压，pw为水蒸气分压，t为工作温度，m为koh溶液摩尔浓度，p为工作压力，为水从标准状况时的液相到温度t、压力pw时的气相中的焓值的变化，fhhv(t,p)为压强修正量，为标况下的热中性电压，z为反应中电子的转移数量，f为法拉第常数；
98、2)构建自然对流辐射热量模型qloss：
99、
100、其中，rtelec为电解槽热阻，tamb为环境温度；
101、3)构建产物导出热量模型
102、
103、
104、
105、其中，分别为氢气和氧气的产生速率，分别为氢气和氧气的比热容；
106、4)构建电解液交换热量模型
107、
108、其中，为电解液质量流率，clye为电解液比热容，tlyein为电解液入槽时的温度；
109、5)额外加热源引入的热流量用其输入功率表示；
110、6)根据集总热容法建立碱性电解槽的热量守恒方程，模拟所述碱性电解槽受到出槽热量和入槽热量影响后的变化；
111、热量守恒方程可用一阶微分方程表示为：
112、
113、其中，ct为电解槽热容；
114、7)假设电解槽在较小的时间间隔内表现出恒定的产热和散热，则单位时间步长内的热性能模型为：
115、
116、其中，tini为初始温度，δt为时间间隔。
117、优选地，在本发明构造的性电解槽冷启动过程运行策略优化方法中，所述在风光波动输入场景下，对所述碱性电解槽冷启动行为数学模型输入运行条件参数包括：在光风波动输入场景下的参数范围内，选择符合约束条件的所述运行条件参数，并将所述运行条件参数输入所述碱性电解槽冷启动行为数学模型，以模拟不同情况下所述碱性电解槽的所述冷启动时长；
118、其中，所述约束条件表示为：
119、
120、其中，tmin为工作温度的下限，t为工作温度，tmax为工作温度的上限，pmin为工作压力的下限，p为工作压力，pmax为工作压力的上限，imin为工作电流的下限，i为工作电流，imax为工作电流的上限，umin为工作电压的下限，u为工作电压，umax为工作电压的上限。
121、通过实施本发明，具有以下有益效果：
122、本发明构造了一种碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，该方法包括以下步骤：构建碱性电解槽冷启动行为数学模型；在风光波动输入场景下，对碱性电解槽冷启动行为数学模型输入运行条件参数，模拟不同情况下碱性电解槽的冷启动时长；给根据冷启动时长，选取最优参数对碱性电解槽冷启动过程运行策略进行优化。该方法对碱性电解槽的冷启动行为进行了针对性的数学建模，并切实模拟风光波动输入场景的运行条件，对构建得到的碱性电解槽冷启动行为数学模型进行模拟输入，继而通过模拟获得的最优参数对碱性电解槽的冷启动行为运行条件参数进行调整，便于优化冷启动过程中的运行策略，降低碱性电解槽的冷启动时长。
1.一种碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述构建碱性电解槽冷启动行为数学模型包括：
3.根据权利要求2所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述碱性电解槽包括由多个电解小室串联组成的复极式结构，输出电压表示为：
4.根据权利要求3所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述根据极化电压机理模型中：
5.根据权利要求4所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，根据所述可逆过电势、所述激活过电势和所述欧姆过电势的表达式，拟合出所述极化电压经验模型；
6.根据权利要求5所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述根据极化电压经验模型构建用于表达电流电压关系的i-u模型包括：
7.根据权利要求2所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述构建产氢模型包括：根据法拉第定律构建氢气体积流率模型和质量流率模型；根据所述氢气体积流率模型和所述质量流率模型构建所述产氢模型；
8.根据权利要求2所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述构建能量转换效率模型包括：
9.根据权利要求2所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述根据碱性电解槽的热量守恒方程构建热性能模型包括：
10.根据权利要求1所述的碱性电解槽冷启动过程运行策略优化方法，其特征在于，所述在风光波动输入场景下，对所述碱性电解槽冷启动行为数学模型输入运行条件参数包括：在光风波动输入场景下的参数范围内，选择符合约束条件的所述运行条件参数，并将所述运行条件参数输入所述碱性电解槽冷启动行为数学模型，以模拟不同情况下所述碱性电解槽的所述冷启动时长；
